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In Situ Clustering of Single-Atom Copper Precatalysts in a Metal-Organic Framework for Efficient Electrocatalytic Nitrate-to-Ammonia Reduction

化学 催化作用 硝酸盐 纳米团簇 电催化剂 无机化学 金属 选择性催化还原 氨生产 法拉第效率 金属有机骨架 电化学 物理化学 吸附 电极 有机化学
作者
Yan‐Tong Xu,Meng‐Yuan Xie,Huiqiong Zhong,Yan Cao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (14): 8698-8706 被引量:147
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c02033
摘要

When serving as a “precatalyst”, metal-organic frameworks (MOF) usually incur uncontrollable framework collapse in electrocatalysis. Herein, we report an anticollapse MOF-supported single-atom Cu precatalyst for electrocatalytic nitrate-to-ammonia reduction reaction (NARR), which can be applied in the rechargeable ammonia energy storage (RAES) technology. In situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) revealed the association of the formation of real catalytic sites with the in situ clustering of single-atom Cu during NARR. Notably, the noncollapse MOF can afford the confined space to prevent the excessive aggregation of Cu atoms, leading to uniform ultrasmall nanoclusters (ca. 4 nm). Moreover, it achieves a maximal Faradaic efficiency toward NH3 of 85.5%, a formation rate of NH3 of 66 μmol h–1 cm–2, and a specific activity of 53.43 mgNH3 h–1 mgCu–1 in 5 mM NO3– solution. The specific activity is found to be at least 3.3 times higher than that of other reported Cu-based catalysts. Density function theory (DFT) calculation further confirms the size effect and the host–guest interaction in facilitating the NO3– activation and the reaction energy decrease. Besides, it also exhibits a high selectivity of ammonia-to-nitrate of 93.3%, displaying great potential in RAES technology.
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